中国交通报：冻土上的高速梦 － 国家科技支撑计划“高海拔高寒地区高速公路建设技术”项目创新纪实

      去年12月，国家科技支撑计划“高海拔高寒地区高速公路建设技术”项目正式启动，距今已将近一年。记者近日在青海走访时感受到，这个以建设青藏高速公路为目标的科研项目，攻关已到关键阶段，一些难题正在被攻克，一批成果已落地开花，一种精神依然在延续，在终年被白雪覆盖的青藏高原上，科技的热流正在涌动。

      缘起 冻土区修建高速公路带来新挑战

      1954年建成通车的青藏公路，由于当年缺乏保护冻土的技术措施，所以在它服役的60多年里病害频发，虽经多次整治改建，但冻土路基融沉问题仍无法根治。先天不足、饱经风雨的青藏公路在承担青藏走廊越来越大的公路运输需求上已经力不从心，在青藏走廊修建高速公路逐渐成为业内共识。

      “《国家公路网规划》中以北京为中心的7条高速公路射线，5条已经建成，京新高速公路已经全面施工，只有京藏高速公路格尔木至拉萨段悬而待建，其原因就是高原冻土。”国家勘察设计大师、多年冻土区公路建设与养护技术交通行业重点实验室主任、中交第一公路勘察设计研究院有限公司党委书记汪双杰告诉记者，从国家战略高度来看，西藏是祖国的西南门户，也是我国唯一没有省际高速公路的地区，事实上已成为国家高速公路网中的“孤岛”。另外，被世界自然基金会列为“全球生物多样性保护”最优先地区的青藏高原，有着珍稀而脆弱的生态环境，封闭的高速公路相比现在的青藏公路更有利于保护环境不受外界侵扰。

      但是，在高寒高海拔的冻土地区建设高速公路绝对是世界难题。相比普通公路，在冻土上建高速公路的技术难度成倍增加。汪双杰解释说，相比普通公路，高速公路的路面尺度更大，吸热量会大幅增加，而原有的导冷阻热措施效果会大打折扣。一增一减，传入冻土的热量会成倍增长，对路基稳定性造成不可估量的影响。此外，虽然以中交一公院几代冻土科研专家为代表的科研工作者已经对冻土公路进行了50多年的研究和观测，但现有成果主要针对二级及以下等级公路和青藏铁路，并无应用于高速公路的直接经验。而且现有成果是基于多年冻土区已有旧路（二级及以下公路）整治改建和病害治理等开展的，研究出发点是“治理”而非“预防”公路病害，也没有综合考虑整个路线范围内冻土环境等全局影响及公路整个运营期的全寿命问题。

      量变带来质变，在青藏冻土高原修建高速公路需要通盘考虑，深入研究。为此，由交通运输部组织实施的2014年度国家科技支撑计划“高海拔高寒地区高速公路建设技术”项目（简称“三高”项目）应运而生。该项目由7个课题组成，中交一公院牵头，13家单位参与，以青藏高速公路建设为研究对象，从选线规划、建设模式、安全设计技术标准、路基变形控制、环境保护和冻土监测预警等多个方面开展联合攻关、协同创新。

      记者在项目可研报告中看到，此次研究对象从关注单一公路工程本身，转变为关注整个工程走廊及其内部多工程所构成的复杂系统；研究理念从短期工程灾害处治提升为全寿命周期内灾害风险预防与控制；研究要素也从单纯考虑冻土问题扩充为综合考虑冻土、生态环境及人类工程活动的相互作用。

      “该项目要回答三个问题：青藏高速公路能不能建？怎么建？以什么标准建？”汪双杰介绍说，冻土研究经过几代人的传承走到了今天，该项目的实施标志着冻土研究开启了新的篇章和征程。最终，当国家决定修建青藏高速公路时，我们科研工作者可以自信地说，技术都准备好了。

      合作 从部到省 鼎力支撑

      “研究不到一年，项目能取得众多成果以及关键性的突破，主要靠部里和兄弟单位的长期支持以及冻土科研的深厚积累。”

      据汪双杰介绍，近10年来，交通运输部已先后组织或支持开展了20多项有关高海拔地区公路修筑技术项目的研究。2002年立项的“多年冻土地区道路修筑成套技术”项目，依托青藏二级公路整治改建工程，对多年冻土地质勘察与分类、冻土区公路病害与机理、路基稳定性技术、路面设计与施工技术、桥涵工程技术、公路生态环境保护评价技术、公路养护与维修技术等开展了全面研究。2006年立项的“青藏公路改建技术研究及应用示范”项目，进一步研究和推广应用路基、路面、桥涵、环境等技术成果。2007年立项的“青藏高原冻土地区公路修筑技术基础平台研究”项目，汇总分析了青藏公路多年研究数据与成果，建立了科研数据库与分析平台。从2011年至今，交通运输部针对多年冻土区高等级公路的科学建设问题，支持开展了“多年冻土尺度效应研究”、“青藏高原工程活动与自然地理环境相互作用研究”、“青藏高原高等级公路冻土环境效应及建设关键技术研究”等相关应用基础性、前瞻性预研究工作，有计划、有步骤地为高海拔高寒地区高速公路建设关键技术研究提供了支撑。

      “从科技示范路的选取、确定到技术成果示范应用再到科研合作，对于冻土高速公路技术研究，青海省交通运输厅的支持可以说是不遗余力。”汪双杰回忆说，时任青海省交通运输厅厅长的韩建华副省长多次亲自听取项目组的汇报、批示落实依托工程及配套资金，在科技示范路的确定上给予了大力支持。共和至玉树（结古）高速公路示范段既穿越冻土区，又是高速公路，为冻土技术提供了绝佳的示范场所。此外，韩建华还支持加强建设多年冻土技术青海试验观测基地。时任青海省交通运输厅副厅长的胡滨、王廷栋也为推进科技示范路方案的落实不遗余力。即使回到了交通运输部公路局工作，胡滨依然挂怀冻土公路技术，无论是项目启动还是中期检查，他都从北京跑回青海，和专家交流，了解研究的最新动向。现任共玉高速公路建设指挥长的纳启财，以前在青海省公路设计院工作，对科研有着深刻的理解，但对施工方来说，他是个“苛刻”的指挥长。因为在科技示范段，施工必须严格按技术标准来进行，否则就要返工重建，直到达到标准为止。

      “共玉高速公路9公里的示范段投资了6亿元，而青海省交通运输厅为了科研又追加投入了1亿多元。”汪双杰说，这样严格的科技示范和业主支持，以前没遇到过。但也是这样的严格和支持，让冻土科技工作者们对研究充满了信心。

      今年6月，“青海省共和至玉树（结古）高速公路建设关键技术课题成果鉴定会”在西宁召开。鉴定专家组认为，该项目成果总体达到国际领先水平，应用前景广阔，为青藏高原高速公路建设提供技术储备与工程示范的同时，可直接服务于共玉高速公路二期工程建设。

      示范 组合路基护冻土 高原路侧植草被

      长达9公里的“三高”项目示范段，海拔4500米，年平均气温0℃至5℃，终年被积雪覆盖。记者在示范现场看到，热棒、通风管和片块石等典型路基结构形式正在沿路建设和试验。

      在建的共玉高速公路是214国道在青海境内的重要路段，穿越冻土区，“三高”项目取得的阶段性成果正在这条路上进行技术示范。

      来自中交一公院驻扎在试验工地的袁堃博士告诉记者，这三种路基对于保护冻土各有优势，都基于同一原理——阻止外界热量传入、增加外界冷量导入冻土中。为了验证哪种路基形式最为可靠，课题组分别对片块石+单向导热板、通风板+片块石、片块石、强制弥散式通风路基及通风管、热棒+XPS板路基两种特殊结构路基进行了工程示范和试验验证。

      路基上布设了可以检测路基温度和沉降的多种传感器，可通过无线信号将感知到的数据传到后方数据库。袁堃说，数据的采集和观测将是个长期的过程，因为整个青藏高原的外界气候在不断变化，所以路面沉降、温度、冻土之间的变化规律也愈加复杂。

      海拔4000米以上的高原由于寒冷缺氧，植物很难生长，一眼望去只有黄土和白雪的颜色，可记者在共玉高速公路路侧却看到大片绿油油的草被。“这是项目研发的路侧植草技术起到的效果。”共玉高速公路指挥长纳启财介绍说，在建设过程中，他们把地表挖下的表土保存下来，用作后期路侧生态恢复用土，把本地的草种种在上面。另外，指挥部还向当地的牧民购买草皮，把表土和草一起移植到路侧；牧民的草皮挖下来后，经过改良恢复，草场新草皮不用多久就可以长起来。这使路侧生态有了保证，牧民还有了收入，实现双赢。

      记者了解到，“三高”项目选择“青藏公路格尔木至拉萨段”、“花石峡至大武公路”、“共和至玉树（结古）高速公路”三项已建或在建公路工程作为项目的示范工程，目前项目已经取得一系列成果，并在示范路上进行了应用。其中，课题一对青藏工程走廊多年冻土发育路段进行现场踏勘，初步拟定了青藏工程走廊内高速公路线位布局方案；课题二完成了低氧环境下车辆性能测试试验方案与低氧环境下驾驶者反应能力试验；课题三完成了多年冻土特殊结构路基运营情况和路基病害调查，为开展既有特殊结构路基应用评价提供了基础数据；课题四完成了特殊环境下材料成型技术与路面结构行为方面的部分试验研究和理论分析工作，通过室内模拟试验分析得出沥青混合料的性能衰减规律；课题五得出了混凝土各项力学性能随冻融循环次数的劣化规律，为研究混凝土抗冻融耐久性技术提供了数据支持；课题六总结得出了适应高原气候的水环境保护措施，并进一步完善了高海拔高寒地区生态型边沟设计技术；课题七研发了光纤传感试验系统。

      前瞻 施工工艺还要再研究

      “修筑试验路可以像‘绣花’一样做得很精细，但技术一旦大规模应用，施工工艺就成为关键问题。”汪双杰举例说，比如路面摊铺和碾压，几百米到几千米的试验路段可以用合适的机械细致操作，在科研人员的监督下，质量能得到保证；但如果是几十公里的路，就需要大量的混合料和大型机械。高原风大，混合料中的热量会很快被风吹走，这种情况下，铺筑质量如何保证？所以下一阶段要研究的，是建设冻土区高速公路中的大规模生产施工工艺。

      此外，青藏高速公路一旦建成，还需要长期观测和预警。由于全球气温在不断升高，在环境的变化下，冻土路基的温度发生了怎样的变化，如何应对，也需要进一步研究。因此汪双杰建议，目前的“三高”项目解决了冻土高速公路的设计问题，今后的施工和运营问题，还需要设立二期或者三期科研项目进行研究。

      据了解，为了实现在青藏高原修建高速公路这个目标，中交一公院在人才、技术、平台和设备等方面一直积极准备着。50多年来，经过几代人的传承和积累，中交一公院两次获得国家科技进步一等奖，奠定了我国冻土工程研究的国际地位，培养了一批冻土高速公路技术人才。2008年，交通运输部在中交一公院设立了多年冻土区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，依托该实验室建成的占地1000平方米，净高20米的大型室内模型试验体系，是国内体量最大、功能最全的步入式模型试验系统，能模拟寒区冻土发育、土体冻融循环、冻胀、融沉、强紫外辐射、降雨侵蚀等自然现象。在青藏高原腹地花石峡建成的占地12000平方米的场地试验体系，涵盖路基、路面、桥梁等13类足尺试验模型，有实时监测系统38套，各类传感器近万个。

      今年，科技部批准在中交一公院设立企业国家重点实验室——高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室。

      “冻土工程研究是艰难而缓慢的，虽然已经研究了几十年，但现在仍不能说已经掌握了冻土的变化规律，要在青藏高原修建高速公路仍需要深入研究和观测。冻土研究对于中交一公院来说，是传承也是责任，我们正孜孜不倦地探索着，今后还将继续走下去。”汪双杰说。

      □特写

      古稀耄耋 情系冻土

      一个72岁、一个81岁，在随行考察共玉高速公路科技示范段的队伍中，原交通部副总工王玉和长安大学原校长王秉纲两位老专家尤其引人注目。进藏对于一般人来说可能都是件谨慎而又遥远的事，但对王玉来说却像家常便饭。王玉在退休前就曾多次进藏，退休后，她对青藏公路的感情并没有衰减，每年都要走上一到两趟，没有别的目的，就为了解冻土公路病害的发展和治理情况。

      王秉纲教授第一次走共玉高速公路，兴奋得像个孩子，连声说：“太美了！有生之年来一次，真值！”他说走在这条路上，中国人应该很自豪，因为在国外如俄罗斯和加拿大都有冻土，但他们修的都是砂石路，没敢修高速公路，而我们中国人把这件事做成了。等青藏高速公路建成时，又将是震惊世界的壮举。

      “试验一定要抓紧做，天气越来越冷，高原很快就上不去了，数据采集来得及吗？”在此次项目中期检查会上，两位老专家的发言总是能切中要害。记者发现，一有冻土相关科研的验收会和研讨会，总能看到这两位老专家的身影。古稀之年，心系冻土，银发天路，成为高原上的一道亮丽的景色。

      □记者手记

      坚持已成为信仰

      对于冻土公路科研工作者来说，冻土是最熟悉的陌生人。熟悉是因为从上个世纪60年代到现在，50多年，几代人都在青藏高原上研究冻土，了解冻土。他们的足迹遍布青藏走廊，他们清楚高原上的山脉、河流、地质和气候，说起冻土给筑路带来的技术难题，信手拈来，如数家珍。

      陌生是因为虽然已经研究了几十年的冻土，但冻土演变规律的特性依然有待发现。这注定是一个跨越时代的浩大研究工程，摸到了头绪，还要继续探索，何况在冻土上修建高速公路，很多研究甚至要从零开始。冻土公路科研工作者们如同在看不见尽头的长河中跋涉，湍流不定，亦步亦趋。

      另一种陌生是虽然已经如此亲近，但冻土和高原依然是那么严肃而保持距离，高原上的严寒、缺氧和寂寞从不因为你的亲近和专注而消减。常年在观测站的科技工作者们说，即使来了很长时间，每次上高原依然头痛，枯燥的观测工作之余，想看些书学习一下都不行，因为稀薄的氧气无法供大脑长时间思考，打开的书每次都是停留在第一页，而高原上的各种急性、慢性病也在时刻威胁着他们的身体健康。中交一公院多年冻土交通建设与养护技术行业重点实验室副主任陈建兵，才30多岁，但由于常年在高原从事冻土研究，头发已经掉得差不多了。老一代的专家如武憼民、章金钊、胡长顺等人更是由于冻土而魂归高原。

      即使这样，面对冻土，这些人依然没有丝毫退缩，在遇到技术难题时，他们甚至还有些兴奋。在他们的脑子里永远在想哪种路基组合对散热更有效果，施工中需要哪些工艺，运营中还可能存在哪些问题，下一步还要做哪些课题、研究什么问题。

      中交一公院副院长王佐说，冻土并不是简单的冰上盖着土，而是冰土混含、重叠覆盖逐渐累积起来的。我想冻土的这种结构和我们的冻土科研有共通之处，几代人前仆后继，抽丝剥茧，一层层揭开冻土神秘的面纱，只为找到最终的真相。

      支撑他们这样做的，不只有坚持和奉献，冻土科研，已经成为一种信仰。

（中国交通报记者：孟庆丰）